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        大型滲碳齒圈淬火畸變及控制

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        人氣:-發表時間:2019-01-17 09:37【

        大型齒圈結構特點在于其壁薄、徑長比(外徑/ 齒寬)大,其滲碳淬火畸變大、不規則且難以控制,較大畸變量直接影響產品質量和后序的加工效率,導致后序加工余量不均勻,影響齒面有效硬化層深和齒面硬度,從而降低齒圈的強度、承載能力和疲勞強度,最終降低齒圈的使用壽命。

        1零件概況

        以某大型薄壁齒圈,材質為20CrMnMo,螺旋角7°右旋,齒面要求硬度58~62 HRC,心部要求硬度30~42 HRC,工藝有效硬化層深3.3~3.8 mm,橢圓度要求< 3 mm,成品示意簡圖見圖1。圖1所示齒圈,滲碳后直徑縮小1~3mm,采用硝鹽淬火后直徑漲大5~7mm,即漲大0.18%一0.25%D。對于齒圈而言,畸變分兩種類型:一種為規律性的整體漲大縮小量,一般通過對齒頂圓及滾齒留磨量控制來保證成品齒部精度;二種為無規律性畸變,即橢圓 、翹曲、錐度等,該類畸變影響因素較多,材料均勻性鍛造、機加工殘余應力、結構、裝架方式、滲碳淬火工藝等均會導致畸變。若殘余機加工應力未徹底消除,后續熱處理中齒圈將發生與殘余應力成正比的畸變。齒圈徑長比越大,滲碳收縮量越大,淬火漲大量越大;齒寬越大,產生錐度越大;當結構對稱且簡單、徑長比小,壁厚/齒寬值大時,滲碳淬火畸變較小。

        齒圈滲碳

        2畸變控制

        2.1機加工設計

        該齒圈工藝路線:鍛造一鍛后正、回火一粗車一調質預處理一半精車一人工時效一滾齒一滲碳淬火、回火一拋丸一精車一人工時效一精車一磨齒一成品。

        考慮淬火將導致外圓漲大以及螺旋角變大,因此工藝設計通過減小半精車齒頂圓以及滾齒螺旋角來保證硝鹽淬火后齒圈齒頂圓、公法線及齒形齒向符合圖紙要求。樣本齒圈成品內孔有凸臺,其結構不對稱、厚薄懸殊大等對熱處理畸變有負面影響,因此機加工設計將內孔臺階留至精車加工,如圖2所示。

        齒圈滲碳

        2.2預處理

        預處理若采用正火加高溫回火,熱處理后組織為珠光體加鐵素體,甚至產生非平衡組織貝氏體,由于空氣冷卻不均勻,正火組織均勻性較差。由于油介質冷卻均勻性及速度均優于空氣,調質將獲得均勻的回火索氏體組織,可以改善或消除鍛造產生的原始組織不均勻性,使齒圈力學性能均勻性提高。鍛后正火熱處理可以改善鍛造組織,細化品粒,調質預處理將均勻組織、減小后續熱處理畸變,兩者結合對于改善滲碳淬火組織及畸變十分有效。

        齒圈滲碳

        2.3滲碳裝爐

        滲碳齒圈疊加,相當于增加齒寬,使徑長比減小,有利于減小翹曲、橢圓畸變,其裝爐方式如圖3 所示。滲碳后冷卻時,疊加齒圈上下端面冷卻相對較快,其收縮量相對較大,產生腰鼓形特征。由于降溫至650 °C之前在爐內冷卻,冷卻均勻,齒圈在剛性較差的高溫區產生的橢圓、翹曲畸變較小,所以僅產生腰鼓形特性,如圖4所示。

        齒圈滲碳

        2.4滲碳工藝

        工藝路線采用重新加熱淬火,重新加熱可防止20CrMnMo長時間滲碳產生的晶粒粗化問題,同時可通過對滲碳后畸變測量、校正以及組織檢測來調整淬火工藝。滲碳升溫越快,產生熱應力越大,與殘余機加工應力疊加,將產生較大畸變,因此必須階梯升溫。滲碳必須低溫出爐,若760°C出爐,滲層將產生不均勻相變將在次表面產生淬火馬氏體組織,比容增大,表面受拉應力,尤其在冬日,20CrMnMo鋼工件置人緩冷坑時,產生裂紋幾率大增,而且淬火馬氏體組織將使滲碳畸變增加。滲碳后期650°C保溫將使表面獲得均勻的共析組織,消除應力,為淬火做準備。

        齒圈滲碳

        2.5滲碳后校正

        對于硝鹽介質而言,滲碳畸變量與淬火畸變量間存在一定比例關系,一般淬火橢圓畸變量在滲碳畸變基礎上增加30%一50%,一定意義上控制滲碳畸變即可有效控制淬火后畸變,因此控制滲碳畸變或者說控制淬火前畸變成為關鍵節點。若滲碳后檢測發現橢圓大則需進行校正。校正采用千斤頂對整體加熱齒圈橢圓短軸熱頂,若齒圈加熱溫度低,如 280°C,此時齒圈強度高,且低溫時彈性區大,發生塑性變形難度大,隨著溫度升高,彈性區將減小,校正難度降低;若加熱溫度太高則操作困難,實踐證明加熱至550°C校正效果較好,彈性區大幅降低,低應力即可產生塑性變形。實踐證明滲碳后校正加去應力處理,淬火后畸變不會反彈,通過滲碳后校正有效解決淬火畸變累積問題。

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